МОРСКАЯ ВЕТРЯНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ ДЛЯ РАБОТЫ ПРЕИМУЩЕСТВЕННО В УСЛОВИЯХ АРКТИКИ Российский патент 2016 года по МПК F03D1/00 F03D9/00 F03D11/00 

Изобретение относится к области энергетики и касается ветряных энергетических установок, производящих электрическую энергию за счет использования силы потока воздуха.

Известна морская ветряная электростанция (МВЭС), установленная у побережья Дании (http://www.hornsrev.dk), содержащая опорное основание в виде моносваи или опорной плиты, которая погружена в (на) морское дно, башню, платформу для швартовки к ней судов обеспечения, поворотную гондолу со ступицей, электрогенератором и лопастями, вращающимися вокруг горизонтальной оси гондолы, а также информационно-силовой кабель. Это решение принято за прототип.

Известное устройство имеет ряд недостатков, из-за невозможности:

- установки принятого опорного основания в виде моносваи в условиях многолетнемерзлых и охлажденных ниже нуля градусов Цельсия пород, например, Печорского, Карского и Баренцевого морей шельфа Арктики;

- использования принятой конструкции и формы башни МВЭС в ледовых условиях, вызывающих дополнительные статические и динамические усилия на башню и, соответственно, на подводное опорное основание;

- эксплуатации МВЭС в условиях атмосферного и осадочного обледенения лопастей ротора, метеорологического оборудования и платформы.

Задачей предлагаемого изобретения является обеспечение эксплуатации МВЭС в условиях Арктики за счет снижения внешнего силового воздействия на нее ледовых образований путем их разрушения, обеспечения возможности установки МВЭС на многолетнемерзлые и охлажденные породы грунта путем размещения на них опорной плиты, а также уменьшения обледенения конструкций и оборудования МВЭС.

Для этого морская ветряная электростанция для работы преимущественно в условиях Арктики, включающая вертикально расположенную башню конусообразной или цилиндрической формы, в верхней части которой размещены гондола со ступицей и электрогенератором, поворачивающаяся вокруг вертикальной оси башни, и установленные на ступице лопасти, вращающиеся вокруг горизонтальной оси гондолы, ориентированной по направлению ветра, в ее нижней части - платформа, а в ее подводной части - опорная плита, на уровне ватерлинии оборудована охватывающим по кругу башню ледоразрушающим устройством, состоящим из двух, имеющих общее основание, конусообразных участков: первый - с прямой конусностью, расположенной вверх от ватерлинии, и второй - с обратной конусностью, расположенной вниз от ватерлинии, имеющих угол наклона образующей к горизонтали от 45° до 60° и диаметр общего основания, в 1,5-2,5 раза превышающий средний диаметр башни. Причем отношение среднего диаметра башни к ее высоте составляет 0,04-0,06, а МВЭС оборудована устройствами уменьшения обледенения лопастей и метеорологического оборудования, основанными, например, на тепловом принципе работы, и обледенения платформы, работающими, например, на механическом принципе.

При этом платформа размещена вокруг башни на высоте, исключающей удары волн и торосов 1 раз в 100 лет для заданной акватории.

Наряду с этим, горизонтальная ось гондолы расположена над платформой на высоте, обеспечивающей отстояние конца лопасти в нижнем положении не менее 2 м.

Кроме того, башня между вторым участком ледоразрушающего устройства и опорной плитой имеет переменную по высоте часть, соответствующую глубине в заданной точке акватории.

Параметры опорной плиты и ее материал выбраны из условия обеспечения заданной мощности МВЭС, с учетом глубины воды, внешних нагрузок, физико-химических свойств и сейсмичности грунта, в частности, многолетнемерзлых и охлажденных пород морского грунта.

Причем вертикальная ось башни проходит через центр тяжести гондолы со ступицей и лопастями.

При этом башня может быть изготовлена из стали и/или титана, железобетона, полимерных композиционных материалов, в частности, углепластика повышенной прочности и радиопрозрачности для обеспечения работы радиолокационных станций.

МВЭС снабжена аккумуляторной батареей, электрически связанной с распределительной системой устройств для уменьшения обледенения и электрогенератором.

Наряду с этим, башня оборудована убежищем для временного персонала, предназначенным для использования в штормовых условиях.

Размещение на башне на уровне ватерлинии МВЭС охватывающего по кругу башню ледоразрушающего устройства позволяет снизить внешнее силовое воздействие на нее и соответственно на подводное опорное основание со стороны ледовых образований.

Выполнение ледоразрушающего устройства, состоящего из двух, имеющих общее основание, конусообразных участков: первый - с прямой конусностью, расположенный вверх от ватерлинии, и второй - с обратной конусностью, расположенный вниз от ватерлинии, имеющих угол наклона образующей к горизонтали от 45° до 60°, обеспечивает наилучшее разрушение действующих на МВЭС ледовых образований за счет выламывания льда усилиями со стороны конусов, направленных вверх и вниз.

Выполнение подводного опорного основания МВЭС в виде плиты позволяет обеспечить установку МВЭС на многолетнемерзлые и охлажденные ниже нуля градусов Цельсия породы морского грунта.

Превышение диаметром общего основания конических участков ледоразрушающего устройства в 1,5-2,5 раза среднего диаметра башни необходимо для улучшения эффективности взламывания льда.

Отношение среднего диаметра башни к ее высоте, равное 0,04-0,06, выбрано из условия обеспечения устойчивости башни при действии внешних нагрузок.

Выполнение части башни между вторым участком ледоразрушающего устройства и опорной плитой переменной высоты, соответствующей глубине в заданной точке акватории, позволяет использовать серийно выпускаемые конструкции башни и опорного основания для сооружения ряда МВЭС.

Размещение центра тяжести гондолы со ступицей и лопастями на вертикальной оси башни обеспечивает снижение нагрузок на башню и плиту.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется рисунком, на котором схематически показана предлагаемая морская ветряная электростанция для работы преимущественно в условиях Арктики.

В верхней части башни 1 МВЭС размещены гондола 2 с электрогенератором (на рисунке не показано), имеющая возможность поворота вокруг вертикальной оси башни 1, и установленные на ступице лопасти 3, вращающиеся вокруг горизонтальной оси гондолы, ориентированной по направлению ветра. В нижней части башни 1 расположена платформа 4, а в ее подводной части - плита 5 с каменной подсыпкой 6 вокруг нее. Платформа 4 размещена вокруг башни 1 на высоте h, исключающей удары волн и торосов 1 раз в 100 лет на заданной акватории. Гондола 2 расположена над платформой 4 на высоте, которая обеспечивает отстояние t конца лопасти 3 в нижнем положении не менее 2 м. Башня 1 на уровне ватерлинии (ВЛ) МВЭС оборудована охватывающим ее по кругу ледоразрушающим устройством 7, состоящим из двух, имеющих общее основание, конусообразных участков: первый из которых 8 расположен вверх от ватерлинии и имеет прямую конусность, а второй 9 - вниз от ватерлинии и имеет обратную конусность. При этом участки 8 и 9 имеют угол наклона образующей к горизонтали α от 45° до 60°, а диаметр их общего основания D в 1,5-2,5 раза превышает средний диаметр башни d. Отношение среднего диаметра башни d к ее высоте L составляет 0,04-0,06. Между участком 9 ледоразрушающего устройства 7 и опорной плитой 5 башня 1 имеет переменную по высоте часть 10 длиной Н, соответствующую глубине в заданной точке акватории, а ее вертикальная ось проходит через центр тяжести гондолы со ступицей и лопастями. При этом она оборудована убежищем 11 для временного персонала, которое предназначено для использования в штормовых условиях.

МВЭС снабжена устройствами для уменьшения обледенения лопастей и метеорологического оборудования 12, а также обледенения платформы 13. Кроме того, МВЭС имеет аккумуляторную батарею 14, электрически связанную с распределительной системой устройств для уменьшения обледенения и электрогенератором, а также информационно-силовой кабель 15 в ее надводной и подводной частях.

Работа предлагаемой МВЭС осуществляется следующим образом.

Ветряную морскую электростанцию транспортируют в пункт ее эксплуатации на море и устанавливают опорную плиту 5 на морское дно, вокруг которой производят каменную подсыпку 6.

Благодаря силам, возникающим на лопастях 3, которые вращают ступицу гондолы 2 под действием ветра, электрогенератор вырабатывает электроэнергию и передает ее по информационно-силовому кабелю 15 на морскую трансформаторную подстанцию (на рисунке не показано), в береговую сеть или к автономному потребителю. Гондола 2 с лопастями 3 вращается вокруг вертикальной оси по направлению ветра.

В процессе образования вокруг МВЭС ледового поля ледоразрушающее устройство 7 разламывает вокруг нее лед, оказывающий на МВЭС внешнее воздействие, направляя льдины вверх и вниз от ватерлинии.

При обледенении лопастей и метеорологического оборудования включаются устройства уменьшения обледенения 12. При необходимости посещения в условиях обледенения временного персонала по сигналу, передаваемому по информационно-силовому кабелю 15, включается устройство уменьшения обледенения платформы 13.

Предлагаемая морская ветряная электростанция обеспечивает ее эксплуатацию в условиях Арктики за счет снижения внешнего силового воздействия на нее ледовых образований путем их разрушения, установки опорной плиты на многолетнемерзлые и охлажденные породы морского грунта, а также уменьшения обледенения конструкций и оборудования МВЭС, что выгодно ее отличает от прототипа.

Изобретение относится к области энергетики, в частности к морским ветряным электростанциям, работающим преимущественно в условиях Арктики. Морская ветряная электростанция включает вертикально расположенную башню. В верхней части башни размещены гондола со ступицей и электрогенератором, поворачивающаяся вокруг вертикальной оси башни. На ступице установлены лопасти, вращающиеся вокруг горизонтальной оси гондолы, ориентированной по направлению ветра. В нижней части башни размещена платформа, в подводной части башни - опорная плита. На уровне ватерлинии оборудована охватывающим по кругу башню ледоразрушающим устройством, состоящим из двух, имеющих общее основание, конусообразных участков: первый - с прямой конусностью, расположенный вверх от ватерлинии, и второй - с обратной конусностью, расположенный вниз от ватерлинии, имеющих угол наклона образующей к горизонтали от 45° до 60° и диаметр общего основания, в 1,5-2,5 раза превышающий средний диаметр башни. Причем отношение среднего диаметра башни к ее высоте составляет 0,04-0,06. При этом морская ветряная электростанция снабжена устройствами уменьшения обледенения лопастей, метеорологического оборудования и платформы. Изобретение направлено на снижение внешнего силового воздействия ледовых образований за счет их разрушения и уменьшение обледенения конструкций и оборудования морской ветряной электростанции. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Морская ветряная электростанция для работы преимущественно в условиях Арктики, включающая вертикально расположенную башню, в верхней части которой размещены гондола со ступицей и электрогенератором, поворачивающаяся вокруг вертикальной оси башни, и установленные на ступице лопасти, вращающиеся вокруг горизонтальной оси гондолы, ориентированной по направлению ветра, в ее нижней части - платформа, а в ее подводной части - опорная плита, а также информационно-силовой кабель в ее надводной и подводной частях, отличающаяся тем, что оборудована ледоразрушающим устройством, охватывающим башню по кругу на уровне ее ватерлинии и состоящим из двух, имеющих общее основание, конусообразных участков: первый - с прямой конусностью, расположенный вверх от ватерлинии, и второй - с обратной конусностью, расположенный вниз от ватерлинии, имеющих угол наклона образующей к горизонтали от 45° до 60° и диаметр общего основания, в 1,5-2,5 раза превышающий средний диаметр башни, причем отношение среднего диаметра башни к ее высоте составляет 0,04-0,06, при этом морская ветряная электростанция оборудована системой устройств для уменьшения обледенения лопастей, метеорологического оборудования и платформы.

2. Морская ветряная электростанция по п. 1, отличающаяся тем, что платформа размещена вокруг башни на высоте, исключающей удары волн и торосов 1 раз в 100 лет для заданной акватории.

3. Морская ветряная электростанция по п. 1, отличающаяся тем, что горизонтальная ось гондолы расположена над платформой на высоте, обеспечивающей отстояние конца лопасти в нижнем положении не менее 2 метров.

4. Морская ветряная электростанция по п. 1, отличающаяся тем, что башня между вторым участком ледоразрушающего устройства и опорной плитой имеет переменную по высоте часть, соответствующую глубине в заданной точке акватории.

5. Морская ветряная электростанция по п. 1, отличающаяся тем, что вертикальная ось башни проходит через центр тяжести гондолы со ступицей и лопастями.

6. Морская ветряная электростанция по п. 1, отличающаяся тем, что башня изготовлена из стали и/или титана, железобетона, полимерных композиционных материалов.

7. Морская ветряная электростанция по п. 1, отличающаяся тем, что она снабжена аккумуляторной батареей, электрически связанной с системой устройств для уменьшения обледенения и электрогенератором.

8. Морская ветряная электростанция по п. 1, отличающаяся тем, что башня оборудована убежищем для временного персонала, предназначенным для использования в штормовых условиях.